Nanoscale Advances：磁光克尔效应系统助力快

2024-05-2348

磁性异质结构是由两种或两种以上不同材料组成的磁性材料。在磁场作用下，磁性异质结构在界面处会出现一系列新的物理、化学、电学等性质，这些性质与单个材料本身有所不同。通过在磁性材料表面上设计和制备特定的异质结构，就可改变其表界面性能，用以满足不同领域功能化的需求。因此，磁性异质结构逐渐成为愈多不同领域科研人员研究的热点。

近期，剑桥大学卡文迪许实验室的Russell Cowburn团队设计了一种基于生物抗体靶向作用的可编码磁性异质结，能快速识别早期肾癌。磁性异质结构具有特异性捕获抗体功能，可从尿液样本中提取感兴趣的目标物。该成果以《Lithographically deﬁned encoded magnetic heterostructures for the targeted screening of kidney cancer》为题发表在Nanoscale Advances上。该异质结构捕获的特异性检测抗体可以通过发射荧光来突出以便于更好的观测。研究指出，磁性异质结构具有特异性捕获抗体的功能，将患者尿液样本中的目标物质与特异性检测抗体结合后会发射荧光，可以被有效的检测到。借助该异质结构分子识别能力和嵌入式图案代码，就能实现对肾细胞癌的快速识别。

图1 磁性异质结构用于肾癌细胞筛选标记示意图

本文中，作者使用了英国Durham公司的磁光克尔效应系统-NanoMOKE3对用于捕获特异性检测抗体的磁性异质结构进行了磁滞回线测量，获得的磁矩信号结果表明该异质结构被磁化。在荧光观测试验中，通过外加磁场可使被磁化的磁性异质结构旋转到特定角度，以达到优的荧光观测条件，便于直观和清晰的观测。

图2 异质结构的的磁性表征图（a）磁性异质结构平整状态下的显微镜图；（b）磁性异质结构磁滞回线测量；（c）磁性异质结构在外部磁场作用下旋转示意图；（d）通过外部磁场作用来定向磁性异质结构的荧光显微镜观测图

英国Durham公司是依托于英国Durham大学的高科技企业。与Durham大学强大的磁光学研究相对应，Durham公司的Russell Cowburn教授（英国剑桥大学卡文迪许实验室主任，英国科学院院士，也是本文提到的文献作者）设计并研发了灵敏度能到10-12 emu且兼具动态磁畴观测的高精度磁光克尔效应系统——NanoMOKE3。同时，系统还兼具Kerr显微镜与回线测量功能。相比于历代MOKE系统，NanoMOKE3系统将磁光克尔的光路部分集成在光学盒中，避免了实验人员测试前搭建光路的工作，大大减少了实验人员操作量。另外，光学盒中的光路经过特殊设计，可以同时实现极向克尔和纵向克尔的测量，无需调整光路，只需更换镜片即可完成极向克尔和纵向克尔的切换。


NanoMOKE3磁光克尔效应系统	NanoMOKE3光学集成盒

因其高集成度的系统设计和开放式的样品环境，NanoMOKE3具备丰富的拓展性。实验人员可以以NanoMOKE3系统为基础，与其他实验设备组合搭建，进行其他领域方面的测量。

一、低温磁光克尔系统

NanoMOKE3系统允许用户在样品台部分搭建低温恒温器，实现低温磁光克尔的测量。例如，下图所示为NanoMOKE3与美国Montana Instrument无液氦低温恒温器进行了组合使用，从而实现了10K以下的磁光克尔测量。NanoMOKE3的低温磁光克尔测量性能在国内外领域内具有极高的水平。此低温MOKE方案已在南方科技大学、中科院化学所安装使用。


NanoMOKE3 磁光克尔系统与 Montana Instrument无液氦低温恒温器组合使用示意图

二、晶圆扫描探测系统

如今，越来越多的晶圆检测设备采用非接触式的光学测量，取代了传统的接触式晶圆测试方法。其中，以磁光克尔效应原理进行晶圆检测的方法就因其操作简单、检测速度快而被广泛使用。

Durham公司在现有磁光克尔系统基础上改造升级，推出了超高灵敏度的晶圆扫描探测系统（wafer mapper），专门用于测量整个晶圆表面的磁滞回线和磁畴图像。系统中集成的磁光克尔能对整个晶圆样品区域（可按X和Y轴自由移动）进行磁滞回线扫描和区域Mapping的测量，终绘制得到晶圆样品整体区域的磁性分布图，从而完成晶圆样品的检测。该款晶圆扫描探测系统选用NanoMOKE3特创的光学盒，继承了其测量速度快，操作简单的优点。整个测量过程可以通过系统自带的LX PRO3软件完成，无需进行繁琐的实验预设值，大大增加了实验效率。


晶圆扫描探测系统装配图

Durham公司特创的NanoMOKE3磁光克尔光学集成盒是Cowburn教授从事MOKE系统研发和深耕多年的结晶。不但减轻了实验人员的操作繁琐度，更重要的是以磁光克尔效应为基础，为更丰富领域的测量提供了可能，有望助力各个领域科研人员实现更高水平的突破！

参考文献：

[1]. Selma, L P., Tarun, V., Russell P, C.et al. Lithographically defined encoded magnetic heterostructures for the targeted screening of kidney cancer. Nanoscale Advances6,276 (2024).